【文章內(nèi)容簡介】 進行功能擴展 , 提供其它服務功能 , 如車輛跟蹤、信息查詢、出行路線 規(guī)劃等。在日本超過 60%的新車出廠時就已安裝了車輛導航系統(tǒng) , 可以預見 , 隨著更多汽車企業(yè)的介入 ,導航產(chǎn)品市場將逐漸成熟 , 導航產(chǎn)品前景廣闊 , 與 GPS相關的其它服務功能正在悄然興起 , 基于 GPS的收費系統(tǒng)與 GPS 服務產(chǎn)品共同開發(fā)將更能調(diào)動道路使用者的積極性。 5. 基于 GPS 的不停車電子收費技術(shù)的優(yōu)缺點 基于 GPS的不停車電子收費技術(shù)是利用 GPS及 GSM，通過與車載裝 置 OBU的通信，進行不停車收費。 它的特點如下： 1） GPS 電子收費系統(tǒng)可以將路旁設備降低到很少，無需龍門架，不會因為安裝龍門架而影 響市容美觀和道路交通，更適合于城市道路有效空間的利用。同時降低了設備的投資，在地理位置受限制的地方，這種技術(shù)的優(yōu)勢更為明顯。 2）提供靈活的收費區(qū)域定義和靈活的費用支付。 DSRC 收費技術(shù)在土地使用模式發(fā)生變化、收費區(qū)域需要改變時，克服傳統(tǒng)基礎設施改變存在比較大的困難。而 GPS青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 12 通過改變虛擬收費點的定義，非常容易實現(xiàn)。 3）車載裝置可由市場直接提供， GPRS／ GSM 以及 GPS 技術(shù)規(guī)格己標準化，很多廠商具有生產(chǎn)制造能力，系統(tǒng)供應商較難壟斷車載設備市場，故很容易跨平臺或系統(tǒng)使用。 4）車載裝置不僅是用作支付收費 道路通行費的工具，它只要載人相關的應用軟體，即可產(chǎn)生多用途，如：車載導航，車隊管理，移動商務，車輛保全，交通信息等。 5）車載裝置易擴展為移動商務基礎平臺的終端設備，并衍生其它商機。 6）具有長距離通信的優(yōu)點，收費機制較不受空間限制，容易實時地在整個區(qū)域內(nèi)按里程收費及實施匝道收費，具備收費策略調(diào)整彈性。 同時基于 GPS 的不停車收費技術(shù)存在以下不足： 1）用戶的 OBU 成本高，如果由此造成用戶的數(shù)量減少，可能影響系統(tǒng)的有效運行。 2）車載電子地圖的更新復雜。 3）如果系統(tǒng)設計得不合理，將會涉及到用戶的 隱私問題，這是很多國家暫時不考慮這種方式的一個原因。 4）在技術(shù)上，相對于 DSRC 電子收費技術(shù)要新。 GPS 技術(shù)是成熟的，但應用在不停車收費方面比較少。在城市道路中 GPS 定位信號容易受到建筑物的阻擋，影響車輛的定位，需要輔助系統(tǒng)支持。 5） GPS 電子收費系統(tǒng)的運營需要配套法規(guī)、政策和嚴厲的懲罰制度，特別是針對那些“違規(guī)車輛”以及故意損壞車載裝置的行為。 DSRC、 ANPR 和基于 GPS 的電子收費技術(shù)的性能比較及分析 DSRC 收費技術(shù)、 ANPR 收費技術(shù)及 VPS 收費技術(shù)，這 3 種電子收費技術(shù)都各有自己的優(yōu)缺點。下面將從路側(cè)設施成本、車載裝置成本、技術(shù)成熟性、收費準確率、按車型收費、按里程或滯留收費、電磁干擾、景觀影響、天氣影響、外埠車輛收費、功能擴展、兼容性和可維護性等方面來比較，見表 11。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 13 表 11 三種收費技術(shù)的性能比較 特性指標 DRSC收費技術(shù) ANPR收費技術(shù) GPS收費技術(shù) 路側(cè)設備成本 高 較低 不需要 車載裝置成本 較低（約 500元） 不需要 高（約 5000元） 技術(shù)成熟性 成熟 比較成熟 不成熟 收費準確率 高 一般 高 按車型收費 好 差 好 按里程、滯留 收費 一般 好 好 電磁干擾 有 無 有 景觀影響 有 有 無 天氣影響 無 嚴重 無 運營管理 簡單 復雜（不能完成現(xiàn)場扣款） 簡單 外埠車輛收費 方便 不方便 比較方便 功能擴展 寬 窄 寬 兼容性 較差 一般 好 可維護性 較差 一般 好 DSRC 電子收費技術(shù)和基于 GPS 的不停車收費技術(shù)主要應用于公路收費，而 ANPR電子收費技術(shù)主要用于城市擁擠收費。由以上 3種收費技術(shù)的原理及技術(shù)性能比較分析可知： 1） ANPR 電子收費技術(shù)不成熟、且車牌識別精度不高，是制約這種技術(shù)發(fā)展的最大障礙 。 2） DSRC 電子收費技術(shù)成熟、且廣泛使用，但需要高額費用來建設、維護路邊設備。 3） 基于 GPS 的不停車收費技術(shù)比較新、且車載裝置投人較高，但其靈活的收費區(qū)域定義和費用支付方式及毋需建設龍門架等路邊設備已受到全球的關注。 4）對一個較大范圍的路網(wǎng)進行收費，基于 GPS 的不停車收費技術(shù)則可能較合適。以德國為例，其實施的貨車收費系統(tǒng)將按其行駛里程與重量來計算應繳的道路通行青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 1 緒論 14 費，由于其收費范圍較大，收費點分布較廣，采用 DSRC 電子收費技術(shù)的難度較大，費用也高， VlX3 可能是較好的選擇。對一條相對獨立的收費 公路，橋梁或隧道而言，DSRC 電子收費技術(shù)可能是最佳選擇，它用在類似新加坡的較小范圍且單一、集中的市區(qū)道路收費也很合適。 5）由于收費分區(qū)與計價方式復雜，這類系統(tǒng)通常必須具備一套全國性或區(qū)域性的收費系統(tǒng)。再進一步設想，對于一個收費區(qū)的不同道路按不同道路的等級實施差別費率時，基于 GPS 的不停車收費技術(shù)則更具有優(yōu)勢。 本文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 基于 GPS 的不停車收費技術(shù)代表著未來道路收費的發(fā)展方向，精確的地圖匹配決定該收費系統(tǒng)能否實現(xiàn)成功收費。本文概述了各種常用的地圖匹配算法，并就各種地圖匹配算法進行系統(tǒng)的分 析和對比，在此理論基礎上，提出基于 GPS 的不停車收費系統(tǒng)的地圖匹配算法，本文以自駕車從黃島到濟南為例，對收費用地圖中的關鍵點即收費點進行定義，并提出了一種專門用于收費的地圖匹配算法。 具體內(nèi)容如下： 1. 基于 GPS 的不停車收費系統(tǒng)的原理和特點概述，并就各種 ETC 技術(shù)對比分析。 2. 系統(tǒng)的提出各種地圖地圖匹配技術(shù)。 3. 以黃島前往濟南為例，對基于 GPS 地圖進行重新 定義，并給出了新的地圖匹配算法。 4總結(jié)。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 15 2 地圖匹配技術(shù) 地圖匹配的基本原理 將用導航定位方法 得到的車輛位置或行駛軌跡與車載的電子地圖道路數(shù)據(jù)相比較、匹配，從而找到車輛所在的道路，并且顯示出車輛的實時位置的軟件修正技術(shù)叫地圖匹配（ Map Matching， MM）。地圖匹配過程可分為兩個相對獨立的過程 : 1）尋找車輛當前行駛的道路； 2）將當前定位點匹配到車輛行駛的道路上。 地圖匹配的兩個條件是高精度的數(shù)字地圖和車輛在路網(wǎng)中行駛。如果條件成立，就可以把定位數(shù)據(jù)和車輛運行軌跡同數(shù)字化地圖所提供的道路位置信息相比較，通過適當?shù)钠ヅ溥^程確定出車輛最可能的行駛路段以及車輛在該路段中的最大可能位置。反之，則地圖 匹配將產(chǎn)生錯誤的位置輸出，并可能導致系統(tǒng)性能的嚴重下降。一般認為用于匹配的數(shù)字地圖誤差不應超過 15m。由于陸地車輛在除了進入停車場等之外的決大多數(shù)時間都位于道路網(wǎng)絡中，因此使用地圖匹配技術(shù)的條件是滿足的。 在圖 21中，點 A、 B、 C都是 GPS觀測點，顯然這些觀測點都沒有準確的定位在道路上，地圖匹配的任務就是通過一定的方法將這些點校正到道路的中心線上?，F(xiàn)在地圖匹配的算法有很多，但根據(jù)利用信息不同，大體上可以歸結(jié)為兩大類： 1） 基于幾何信息的地圖匹配方法； 2） 基于拓撲關系的地圖匹配方法。 基于幾何信息的地圖匹配方法有 三類：點到點的匹配；點到線的匹配；線到線的匹配。前兩種可視為搜索問題，最后一種可視為統(tǒng)計估計問題。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 16 圖 21 地圖匹配示意圖 1） 點到點的匹配 點到點的匹配就是搜索地圖數(shù)據(jù)庫中的節(jié)點、形狀點或自定義的點距離 GPS觀測點最近的點作為匹配點。該方法簡單易行，實現(xiàn)快速，但是匹配結(jié)果與路段上待匹配的點集關系密切，待匹配的點越多，匹配效果越好。匹配形式如圖 22顯示。 圖 22 點到點的匹配 在圖 42中， A A A A A B B B3都是 GPS觀測點 P的待匹配點。從圖中可以看出，距離 PA3是 最短的，按照點到點匹配方法，應該將車輛匹配到 A3點，但從圖中直觀看出， P點匹配到線段 B上似乎更為合理些，因為 P更靠近線段 B。缺點在于匹配點少時匹配結(jié)果不準確。 2） 點到線段的匹配 點到線段的匹配就是搜索所有可能的線段，以 GPS觀測點到線段距離為判斷依據(jù)，觀測點到條線段距離最近的那條線段作為匹配路段，觀測點到匹配路段的投影點即為匹配點。這種方法同樣比較簡單，也很直觀，但該方法得到的結(jié)果的不足在于匹配結(jié)果會出現(xiàn)來回擺動的情況，當 GPS觀測點距離多條路段的距離相等時就無法進行路段匹配了，匹配形式如圖 23所示。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 17 圖 23點到線段的匹配 在圖 43中， P P P P4是連續(xù)的 GPS觀測點，它們的匹配結(jié)果是這樣的：（ P1— B1），（ P2— A1），（ P3— A2或 P3— B2），（ P4— B3） ?？梢钥闯?，匹配結(jié)果出現(xiàn)了在線段 A、 B間搖擺的情況，還有觀測點 P3無法確定匹配點。 點到點的匹配、點到線的匹配都是僅僅利用了當前觀測點位置進行匹配，沒有充分利用歷史和未來的觀測點位置，有很大的局限性。 3） 線到線的匹配 線到線的匹配就是將一系列 GPS觀測點擬合到道路網(wǎng)相應的路段中，擬合的標準就是觀測點形成的折線到路段之間的距離 ，距離最短的為匹配路段。連線間的距離可以有很多種定義的方式，如定義兩折線 X、 Y的距離為取它們間最近點的距離，即yxYX YyXx ??? ?? ,m in 。匹配的示意圖如圖 24（ a）所示。 圖 24 線到線的匹配（ a） 在圖 24（ a）中， GPS觀測點出現(xiàn)了一個離群點 P，按照上述的匹配方法， GPS觀測點被匹配到路段 B上，這顯然不合理，合理的匹配應該被匹配到線段 A上。兩折線間青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 18 距離的定義還可以如下 dttytxYX ? ??? 10)()( ，按照這樣距離計算方式同樣也會出現(xiàn)像圖 24（ b）那樣的錯誤匹 配了。 圖 24（ b） 線到線的匹配 在圖 24（ b）中，待匹配路段 A的坐標為（ 6t， 6），待匹配路段 B的坐標為（ 3，6t）， GPS觀測點連線的線段 P的坐標為（ 6t， 3）。按照上述距離計算方式， 3??AP ，至于 BP? 的計算，如果距離定義有正負定義（定義線一側(cè)的點到線的距離為正，則另一側(cè)的點到線的距離就為負），則 0??BP ；如果距離定義是取絕對值，則通過計算可得 ??BP 。按照匹配方法，就要選擇 B為匹配路段了，但從圖上直觀的看，選擇 A作為匹配路段似乎更為合理。在圖中， P的長度為 6，如果要求 APBP ??? 以使得 GPS觀測點正確的被匹配到 A上，通過計算， P的長度至少是 15，這顯然延遲太大，達不到實時校正車輛位置并正確顯示的要求。 上述的三種地圖匹配方法相對來說都是計算簡單，僅利用了數(shù)字地圖的單一信息，不能保證任何時候都能得到正確的匹配結(jié)果，無法滿足真正地圖匹配的要求，因此根據(jù)這三種基本地圖匹配方法衍生出來了許多比較實用的地圖匹配算法。 常用地圖匹配算法 地圖匹配的常用算法有很多，比如最短距離算法、基于拓撲關系的算法、概率統(tǒng)計算法、模糊邏輯算法、相關性算 法 等等。下面對其中的幾種進行簡要分析。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 2 地圖匹配技術(shù) 19 最短距離算法 最短距離法是一種基礎的匹配方法。該方法根據(jù)道路屬性，預先設置一個匹配閾值，在數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫中的所有或部分路段中，計算當前獲取的 GPS數(shù)據(jù)與各道路路段之間的距離以及 GPS數(shù)據(jù)在該道路路段上的最短距離點，將在閾值范圍內(nèi)各路段的匹配距離進行比較，得到一條距離最短的路段，則該道路為 GPS點的匹配路段，該最短距離點為 GPS點的 匹配點。 最短距離法簡單易行，能在很大程度上消除地圖匹配中各種誤差產(chǎn)生的影響，但它沒有考慮 GPS數(shù)據(jù)接收中的各種情況及道路的地形特征，通常作為一種基本方法，與其他匹配方法結(jié)合來得到好的效果。 概率統(tǒng)計算法 基于概率統(tǒng)計的地圖匹配同樣是一種基礎的匹配方法。概率統(tǒng)計算